市政橋梁下穿高鐵全過程數值模擬分析

喻院平

隨著我國經濟高速發展，交通規劃日益完善。在復雜的交通規劃網絡圖中難免出現線路交叉、公路與鐵路交叉。為了保證后實施的路線結構能順利施工，且不影響運營線路結構安全，為此在后續設計時應該對實施結構及現運營的線路結構安全做全過程數值模擬，確保在后期實施的結構的影響范圍在規范規定的安全范圍之內。本文借助市政橋梁下穿高鐵設計為例，為保證后續施工市政橋梁對高鐵橋梁的影響可控，本次設計采用全過程數值模擬分析。

一、前言

某市政道路橋梁下穿高鐵，根據鐵路局相關要求減小對高鐵橋結構的影響需采用橋梁結構形式下穿，鐵路橋布孔采用標準32m 跨，市政道路下穿時考慮分幅分孔下穿。市政橋梁采用現澆箱梁，設計時考慮全過程施工便道、施工樁基、開挖承臺、滿堂支架現澆及運營各階段對鐵路橋梁的影響，設計采用全過程精細化數值模擬，以較精確的模擬全過程市政橋梁對鐵路橋梁影響，為設計及施工提供指導性意見。

二、模型建立

本項目即將實施的市政橋梁位（20+30+20）連續梁，橋梁全長80m，橋面寬度合計約40m，為了減小對高鐵橋墩的影響，考慮在兩邊跨內設置施工便道。與本項目相交的高鐵橋墩有4 個，最遠距離80 余米，故本次模型所取計算模型尺寸為長寬高分別為200m×150m×50m，長度與寬度超出核心計算區域結構體范圍2 倍以上，深度取到基巖層，邊界效應的影響滿足圣維南原理，模型模擬采用程序自動邊界約束，即底部約束全部平動位移，長寬面分別約束水平方向位移，網格劃分按照關鍵分析部位網格密，非關鍵部位逐漸稀疏的網格劃分原則，建立好的數值計算模型如圖1 所示。

設計時考慮全過程分析，考慮各個不同的施工階段的最不利影響，在數值模擬時考慮采用分階段驚醒模擬施工進程，根據橋梁一般施工習慣考慮如下施工階段劃分進行分析。施工階段劃分為：階段一，初始應力場計算；階段二，自平衡（本階段主要橋梁高鐵橋墩下部結構已運營多年，在初始階段已考慮該部分，本階段位移清零以不考慮殘余變形的影響）；階段三，便道施工，并考慮便道車道荷載（采用10KPa）；階段四，模擬市政橋梁樁基施工；階段五，模擬橋梁承臺開挖并施工承臺及橋墩；階段六，模擬市政橋梁上部結構施工及成橋運營。

圖1 三維數值分析模型

三、模擬計算結果及分析

便道施工過程，利用均布荷載模擬加載施工過程，便道影響結構的位移如圖2～圖4 所示：

圖2 便道施工完成后高鐵樁基、承臺橋墩豎向位移云圖

表1 高鐵結構位移匯總表

表2 墩臺頂位移限值（mm）

圖3 便道施工完成后高鐵樁基、承臺橋墩縱向位移云圖

圖4 便道施工完成后高鐵樁基、承臺橋墩橫向位移云圖

通過數值模擬分析得到以上的位移云圖可知，便道施工及通車后，主要引起整體沉降變形，土體變形傳遞到鄰近高鐵樁基及承臺，導致高鐵下部分整體最大沉降0.377mm，最大沉降位置發生在土體較弱的樁基部分。墩頂最大豎向位移為0.294mm。高鐵下部結構整體水平縱向和水平橫向最大變形為0.414mm 與0.585mm，最大位移都發生在樁基與承臺連接部，墩頂水平縱向和水平橫向最大變形0.23,mm 與0.18mm。

由于篇幅所限，本文僅列主施工階段一荷載工況作用下的結構位移云圖，其余施工階段以匯總表的形式驚醒列主，在不同階段下荷載位移入表1 所示。

根據數值模擬分析結構變形可知，公路橋梁全程施工過程下穿高鐵橋墩的過程中，公路橋梁前期便道、樁基與承臺橋墩的施工以及橋梁澆筑對高鐵橋墩的影響都在可控范圍。

根據《公路與市政工程下穿高速鐵路技術規程》TB 10182-2017 中相關規定要求，下穿工程影響高速鐵路橋梁墩臺頂位移限制應符合上表規定。

根據以上計算結果均能滿足規范限值，故通過數值計算分析結果表明市政橋梁全過程對高鐵橋墩的影響是可控的。

四、結語及建議

通過上述數值結果模擬全過程計算，市政橋梁施工及運營對高鐵橋的影響滿足相關規范要求。在施工過程中施工過程中，應嚴格按“動態設計、信息法施工”的要求實施，對受影響的鐵路橋墩在下穿橋施工過程中實施全過程監測，如有異常及時停止施工并采取相應的措施。此外樁基的分析為靜力學分析，載施工橋梁樁基時建議采取減少機械鉆孔過程中震動的措施，以免較大震動荷載對鐵路橋梁結構安全產生影響。